JP2002272011A - 充放電制御装置 - Google Patents

充放電制御装置

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 単位電池の内部抵抗を考慮した入出力可能電
力を用いて組電池の充放電制御を行う充放電制御装置の
提供。 【解決手段】 放電中に、バッテリー4の総電圧および
電流値を電圧センサ7および電流センサ8によりサンプ
リングする。バッテリーコントローラ6は、そのサンプ
リングデータに基づいて回帰演算を行い入出力可能電力
を算出する。この放電中には、バッテリー4を構成する
各セルのセル電圧がセルコントローラ5により検出され
る。バッテリーコントローラ6では、サンプリングされ
たセル電圧および前記電流値に基づいて各セルに関する
回帰演算を行い、最大内部抵抗を有するセルを求める。
そして、最大内部抵抗を有するセルの回帰演算結果に基
づいて前記入出力可能電力を補正する。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、例えば電気自動車
等の駆動用バッテリーとして用いられる組電池の充放電
制御装置に関する。
【0002】
【従来の技術】従来、電気自動車に搭載されるバッテリ
ーには、セルと呼ばれる単位電池を複数直列接続した組
電池が用いられている。このようなバッテリーの入出力
可能電力の算出方法としては、特開平11−41711
号公報に開示されているようなものがある。従来の算出
方法では、放電時にバッテリーの総電圧および放電電流
値をサンプリングし、このサンプリングデータに基づい
てV−I特性を回帰算出することによって入出力可能電
力を求めるようにしている。
【0003】例えば、入力可能電力を求める際には、放
電中に得られるサンプリングデータに基づいて回帰直線
を算出する。次いで、入力可能電圧の目標電圧であるバ
ッテリー上限電圧Vmaxのときの電流値Icmaxを回帰直
線から求め、次式により入力可能電力Pcmaxを算出して
いる。例えば、制動時の回生制御においては、充電電力
が入力可能電力Pcmaxとなるように制御される。
【数1】Pcmax=Icmax×Vmax
【0004】ところで、回生制御の際には、電池保護の
ために各セルの各々が所定の充電上限電圧を越えないよ
うに回生制限が行われる。また、放電制御の際には、各
セルの各々が所定の放電下限電圧を下回らないように出
力制限が行われる。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
入出力可能電力演算方法では、上述したように組電池全
体の電圧および電流に基づいて入出力可能電力を算出し
ており、各セルの内部抵抗のばらつきは考慮されていな
かった。この内部抵抗のばらつきが大きいと、例えば、
走行制御中に最大内部抵抗を有するセルが放電下限電圧
に達してしまった場合に、それ以上放電電流が上昇しな
いように放電制限をかけるようにしている。
【0006】そのため、このような放電制限が実行され
る直前までは、算出された出力可能電力に基づいてアク
セル操作に応じた電力が出力されるが、内部抵抗最大の
セルが放電下限電圧に達すると放電制限が実行されて、
要求された出力電力より小さな電力に出力制限されてし
まう。従って、例えばドライバーが加速を行おうとして
アクセルを所定時間踏み込んだときに出力制限される
と、ドライバーの意図する出力の増加が行われないこと
になり、ドライバーが違和感を感じるということがあっ
た。
【0007】本発明の目的は、単位電池の内部抵抗を考
慮した入出力可能電力を用いて組電池の充放電制御を行
う充放電制御装置を提供することにある。
【0008】
【課題を解決するための手段】発明の実施の形態を示す
図1および図3に対応付けて説明する。 (1)図1に対応付けて説明すると、請求項1の発明に
よる充放電制御装置6は、組電池4の電流値を検出する
電流検出部8と、組電池4の総電圧値を検出する総電圧
検出部7と、組電池4を構成する複数の単位電池の各電
圧値を検出する単位電池電圧検出部5と、電流値および
総電圧に基づいて組電池4の電圧・電流特性を回帰演算
するとともに、電流値および単位電池の電圧値に基づい
て各組電池の電圧・電流特性を回帰演算する回帰演算部
6と、組電池4に関する回帰演算部6の演算結果に基づ
いて、組電池4の入力可能電力および出力可能電力を算
出する入出力可能電力演算部6と、回帰演算部6で演算
された内部抵抗の最も大きな単位電池の電圧・電流特性
に基づいて、入力可能電力および/または出力可能電力
を補正する補正演算部6とを備え、入出力可能電力演算
部6および補正演算部6の各演算結果に基づいて組電池
4の充放電制御を行うことにより上述の目的を達成す
る。 (2)図1および図3に対応付けて説明すると、請求項
2の発明は、請求項1に記載の充放電制御装置6におい
て、単位電池電圧検出部5で検出された電圧値のばらつ
きが所定電圧値Y以下であって、かつ、電流値の大きさ
が所定電流値(X/2)以下の場合に、回帰演算部6の
演算を行うようにしたものである。 (3)請求項3の発明は、請求項1または2に記載の充
放電制御装置6において、内部抵抗の最も大きな単位電
池の内部抵抗が所定値以上のときに、その単位電池を異
常と判定する判定部5を設けたものである。
【0009】なお、上記課題を解決するための手段の項
では、本発明を分かり易くするために発明の実施の形態
の図を用いたが、これにより本発明が発明の実施の形態
に限定されるものではない。
【0010】
【発明の効果】(1)請求項1の発明では、内部抵抗の
最も大きな単位電池の電圧・電流特性を回帰演算により
演算して、その演算結果に基づいて組電池の入力可能電
力および/または出力可能電力を補正し、その補正され
た入力可能電力および/または出力可能電力に基づいて
組電池の充放電制御を行うので、内部抵抗が最大の単位
電池が制限電圧になったときに入力電力や出力電力が急
激に制限されるようなことがない。 (2)請求項2の発明では、請求項1と同様の効果が得
られるとともに、各単位電池の電圧値のばらつきが所定
電圧値以下であって、かつ、電流値が所定電流値以下の
ときに各単位電池に関する回帰演算を行うようにしてい
るので、各単位電池の電池状態(SOC)のばらつきの影
響を低減することができ、補正演算部の補正精度の向上
が図れる。 (3)請求項3の発明では、請求項1および2と同様の
効果が得られるとともに、単位電池の異常を精度良く検
出することができる。
【0011】
【発明の実施の形態】以下、図1〜図9を参照して本発
明の実施の形態を説明する。図1は本発明による充放電
制御装置を備えるハイブリッド電気自動車(HEV)を
示す図であり、パラレルHEVの駆動系の概略構成を示
す図である。エンジン1の主軸には、電動モータ2の回
転子が直結されている。エンジン1および/またはモー
タ2の駆動力は、図示しない駆動系を介して車軸に伝達
される。インバータ3は二次電池で構成されたバッテリ
ー4からの直流電力を交流電力に変換してモータ2に供
給するとともに、後述する発電モード時にはモータ2か
らの交流電力を直流電力に変換してバッテリー4へ供給
する。
【0012】バッテリー4には、複数の単セルを直列接
続した組電池と呼ばれるものが用いられる。組電池を構
成する各々の単セルのセル電圧はセルコントローラ5に
より検出され、その検出値はバッテリーコントローラ6
へと出力される。単セルには、例えば、リチウムイオン
電池等が用いられる。バッテリーコントローラ6には、
セルコントローラ5から送られたセル電圧値、電圧セン
サ7で検出されるバッテリー4の総電圧値、電流センサ
8で検出される充放電電流値が入力される。マイクロコ
ンピュータとその周辺部品から構成されるバッテリーコ
ントローラ6は、これらの値に基づいてバッテリー4の
充放電制御を行う。インジケータ9には、バッテリーコ
ントローラ6で検出されたセル状態(セル異常等)が表
示される。
【0013】パラレルHEVにおけるモータ2の運転モ
ードには、車軸を駆動する駆動モードとバッテリー4を
充電する発電モードとがある。車両の駆動時、すなわち
加速時,平坦路走行時や登坂時等に、モータ2へ電力を
供給するバッテリー4が充分な充電状態にある場合に
は、モータ2を駆動モードで運転してエンジン1とモー
タ2の両方の駆動力により走行する。ただし、バッテリ
ー4の充電状態が低い場合にはモータ2を発電モードで
運転して、エンジン1の駆動力により走行を行うととも
にモータ2の回転子を回転し、モータ2による発電を行
ってバッテリー4を充電する。
【0014】一方、車両の制動時、すなわち減速時や降
坂時などには、駆動系を介した車輪の回転力によってエ
ンジン1およびモータ2が駆動される。このとき、モー
タ2を発電モードで運転し、回生エネルギーを吸収して
バッテリー4を充電する。
【0015】次いで、充放電制御の際のバッテリー4の
入出力可能電力の算出方法について説明する。まず、放
電中に電圧センサ7および電流センサ8により電圧V,
電流Iをサンプリングし、それらのサンプリングデータ
に基づいてV−I特性の回帰直線を求める。図2はV−
I特性を示す図であり、「×」はサンプリングデータ
を、L1は回帰直線をそれぞれ示している。回帰直線L1
の傾きはバッテリー4の内部抵抗Rを表しており、回帰
直線L1とV軸との交点の値Eがバッテリー4の開放電
圧である。
【0016】充電上限電圧Vmaxを示す直線と回帰直線
L1との交点Aの電流値Icmaxを用いると、バッテリー
4の入力可能電力Pcmaxは次式(1)で算出される。
【数2】Pcmax=Icmax×Vmax …(1)
【0017】また、放電下限電圧Vminを示す直線と回
帰直線L1との交点Bの電流値Icmaxを用いると、バッ
テリー4の出力可能電力Pdminは次式(2)で算出され
る。
【数3】Pdmax=Idmax×Vmin …(2)
【0018】このようにして算出された入力可能電力P
cmaxおよび出力可能電力Pdminを、各セルの内部抵抗の
ばらつきに応じて補正する。図3,4は補正方法を説明
するための図であり、セル毎のV−I特性を示したもの
である。図4は、図3の充電領域の部分を拡大して示し
た図である。
【0019】図3において、L12はセル内部抵抗rが最
大rmaxのセルの回帰直線であり、L13はセル内部抵抗
rが最小rminのセルの回帰直線である。すなわち、セ
ル内部抵抗rはrmin≦r≦rmaxの範囲でばらついてい
る。また、L11はセル内部抵抗の平均値に関する回帰直
線である。この回帰直線L11は、各セルのセル電圧に基
づいて回帰演算して求めても良いし、総電圧を用いたバ
ッテリー4の回帰直線を1セル当たりに表したものでも
良い。E0,F0は、回帰直線L11,L12から得られる開放
電圧である。また、電流Icmaxのときには、内部抵抗r
maxのセルの電圧はF1で、平均電圧はE1である。電流Id
maxのときには、内部抵抗rmaxのセルの電圧はF2で、平
均電圧はE2である。
【0020】図4において、E1はE1=Vmax/(セル
数)となっており、ここではVmax/(セル数)をvmax
で表す。いま、充電電流をゼロから次第に増加すると、
回帰直線L12で表される最大内部抵抗rmaxのセルは、
電流I3(<Icmax)でセルの充電上限電圧vmaxに達し
てしまう。そこで、1セル当たりの出力可能電力ΔPcm
axを、従来の「Icmax×vmax」から「I3×vmax」に
補正すれば、最大内部抵抗rmaxのセルは充電上限電圧
vmaxを越えることがない。
【0021】このとき、充電補正係数K1は次式(3)
で算出される。そして、総電圧より求めたバッテリー4
の入力可能電圧演算値Pcmaxを充電補正係数K1で式
(4)のように補正し、この補正され電力K1×Pcmax
を入力可能電力P'cmaxとしてバッテリー4の回生制御
を行う。
【数4】K1=(I3×vmax)/(Icmax×vmax) =(E1−F0)/(F1−F0) …(3) P'cmax=K1×Pcmax …(4)
【0022】一方、出力可能電力の場合も同様であり、
出力補正係数K2は次式(5)により算出され、式
(6)により算出される電力K2×Pdmaxを出力可能電
力P'dmaxとして放電制御を行う。
【数5】 K2=(F0−E2)/(F0−F2) …(5) P'dmax=K2×Pdmax …(6)
【0023】図5および図6に示すフローチャートは、
バッテリーコントローラ6で行われる入出力電力演算の
処理手順を示したものであり、図6は図5に続く手順を
示す図である。なお、図5,6に示す一連の処理は、充
放電中に所定のタイミングで繰り返し行われる。ステッ
プS1では、セルコントローラ5によりバッテリー4の
各セル電圧が検出され、それらの検出値がバッテリーコ
ントローラ6に送信される。ステップS2では、ステッ
プS1で検出されたセル電圧の平均電圧Eaveが算出さ
れる。ステップS3では、電流センサ8によりバッテリ
ー4とインバータ3との間の電流が検出される。
【0024】ステップS4では、検出されたセル電圧が
図3の所定範囲Y内であるか否かを判定する。この所定
範囲Yは、ステップS2で算出した平均電圧Eaveを挟
んだ電圧(Eave−Y/2)から電圧(Eave+Y/2)
の範囲である。ステップS4において所定範囲Y内と判
定されるとステップS5へ進み、一方、範囲外と判定さ
れるとステップS1へ戻る。続くステップS5では、ス
テップS3で検出された電流値が図3の所定範囲X内で
あるか否か、すなわち、電流値≦X/2であるか否かを
判定する。ステップS5において所定範囲X内と判定さ
れるとステップS6へ進み、一方、範囲外と判定される
とステップS1へ戻る。
【0025】車両駆動用バッテリーに用いられるリチウ
ムイオン電池では、セル開放電圧とSOCとの間に図7に
示すような相関があり、開放電圧からSOCを把握するこ
とができる。一方、セル内部抵抗とSOCとの間には図8
に示すような相関があり、内部抵抗はSOCにより変化す
る。そのため、内部抵抗のばらつきによる補正演算をよ
り精度良く行うには、SOCのばらつきによる内部抵抗の
ばらつきへの影響を排除する必要がある。
【0026】従って上述した所定範囲Yは、例えばSOC
が3%の範囲になるようにすることを目的とするが、図
7に示すようにSOCの変化量に対する開放電圧の変化量
は比例していないので、開放電圧の値によって変わるこ
とになる。すなわち、例えばSOCが80%程度である場
合、SOCの3%分に対応する電圧幅は30mVと小さ
く、SOCが20%程度である場合、SOCの3%に対応する
電圧幅は50mVと大きくなることになる。よって、所
定範囲Yは、ステップS2で算出されたEaveに基づい
て、図7に示す開放電圧−SOC特性を考慮し、変更され
るものとなる。
【0027】次に上述した所定範囲Xについて説明する
と、全ての温度範囲で、開放電圧−負荷電圧の差異を最
小に抑えられる程度が望ましく、本実施の形態では、例
えば±2.5A以内とする。
【0028】SOCのばらつきは開放電圧のばらつきから
推定できるので、ステップS4の処理により各セルのSO
Cがばらついているか否かを判定することができる。ま
た、ステップS5で電流値が電流値≦X/2であるか否
かを判定することによって、電流値がゼロに近い値のも
のだけを採用することにより、ステップS4の判定に用
いられるセル電圧が開放電圧に近い値となるように制限
している。これにより補正演算におけるSOCのばらつき
の影響を低減させ、補正精度の向上を図っている。ま
た、放電電流値が小さい場合だけに補正演算を行うこと
により、演算時の誤差を小さくすることができる。
【0029】次いで、ステップS6において、電圧セン
サ7で検出される総電圧,電流センサ8で検出される電
流値およびセルコントローラ5により検出される各セル
のセル電圧を複数サンプリングする。ステップS7で
は、ステップS6で検出された電流値に基づいて、サン
プリングが放電中に行われたか否かを判定する。ステッ
プS7において放電状態と判定されると、ステップS8
へ進んでサンプリングデータを補正演算のデータとして
取得する。一方、ステップS7でNOと判定されるとス
テップS6へ戻り、再びデータサンプリングを行う。
【0030】図6のステップS9では、ステップS8で
取得された複数のセル電圧および電流値に基づいて、図
3に示すようなセル毎の回帰直線を演算する。ステップ
S10では、ステップS6でサンプリングされた複数の
総電圧および電流値に基づいて、バッテリー4全体の回
帰直線を演算する。ステップS11では、バッテリー4
全体の回帰演算に基づいて、各セルの内部抵抗を平均し
たものである平均内部抵抗raveを算出する。ステップ
S12では、各セルの回帰演算からそれぞれの内部抵抗
を算出し、最大内部抵抗rmaxを有するセルを求める。
この最大内部抵抗rmaxは、図3のF0,F2およびIdmax
を用いて次式(7)により算出される。
【数6】rmax=(F0−F2)/Idmax …(7)
【0031】ステップS13では、ステップS12で算
出された最大内部抵抗rmaxが所定値r0以上か否かを
判定する。所定値r0としては、電池が新品のときの2
〜3倍の値とし、例えば1.2Ωとする。ステップS1
3でrmax≧r0と判定されると、ステップS14へ進
んで図1のインジケータ9にセル異常が生じたことを示
す警告を表示した後に、ステップS15へ進む。一方、
ステップS13でrmax<r0と判定されると、ステッ
プS15に進んで上述した式(5)により出力補正係数
K2を算出し、次のステップS16において式(3)に
より充電補正係数K1を算出する。そして、ステップS
17で式(6)の出力可能電力K2×Pcmaxを算出した
ならば、続くステップS18で式(4)により入力可能
電力K1×Pdmaxを算出し、一連の処理を終了する。
【0032】図9は、本発明による充放電制御装置によ
る出力例を、従来と比較して示した図である。(A)は
アクセル踏み込み量に応じた要求出力を示しており、
(B)はバッテリー4の回帰演算のみを用いて算出した
従来の出力可能電力を用いた場合の出力電力を示し、
(C)は本実施の形態の補正された出力可能電力を用い
た場合の出力電力を示したものである。図9に示す例で
は、要求出力は最終的にP1となるが、(B)および
(C)ではセルの内部抵抗のばらつきにより、最終的な
出力はP2に制限されている。
【0033】従来の出力(B)の場合には、出力可能電
力にセル内部抵抗のばらつきが考慮されていないため、
出力がP2となるまでは、要求出力と一致して増加して
いる。しかし、出力がP2に達すると、最大内部抵抗r
maxのセル電圧が上限電圧に達するため、セルコントロ
ーラ5のセル上下限電圧保護機能が作動して、出力P2
に出力制限される。そのため、時刻t0までは要求通り
に出力されていたものが、時刻t0になると急に要求通
りの出力が出なくなる。一方、出力(C)では、式
(6)で示すように出力補正係数K2により出力可能電
力が補正されるため、要求出力に対して出力補正係数K
2に応じた所定比率の出力が出力開始時から出力され
る。そのため、出力Bに達するまではアクセル踏み込み
量の変化に比例して出力が変化するので、ドライバーは
違和感を感じることがない。
【0034】上述した実施の形態では、E0およびF0とし
て回帰直線L11,L12から算出される開放電圧を用いた
が、所定範囲Xで検出された総電圧およびセル電圧を使
用しても良い。また、回帰演算を用いて単位電池の最大
内部抵抗を算出しているが、回帰演算以外の方法により
最大内部抵抗を算出して、補正をするようにしても良
い。
【0035】また、上述した実施の形態では、放電中に
電圧センサ7および電流センサ8によって電圧V、電流
Iをサンプリングするようにしたが、充電中に電圧V、
電流Iをンプリングするようにしても、放電中および充
電中の両方において行っても良い。特に、組電池がリチ
ウム・イオンで構成されている場合には、放電および充
電で、電流と電圧の特性に変化が少ないので特に効果的
である。
【0036】なお、上述した実施の形態では、ハイブリ
ッド電気自動車に搭載された駆動用バッテリーを例に説
明したが、本発明の充放電制御装置は他のバッテリーに
も適用することができる。
【0037】以上説明した実施の形態と特許請求の範囲
の要素との対応において、バッテリーコントローラ6は
充放電制御装置,補正演算部,入出力電力演算部および
回帰演算部を、セルコントローラ5は電圧検出部および
判定部をそれぞれ構成する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による充放電制御装置を備えるハイブリ
ッド電気自動車(HEV)の駆動系の概略構成を示す図
である。
【図2】バッテリー4のV−I特性を示す図である。
【図3】セル毎のV−I特性を示す図である。
【図4】図3に示すV−I特性の充電領域の拡大図であ
る。
【図5】バッテリーコントローラ6で行われる入出力電
力演算の処理手順を示すフローチャートである。
【図6】図5に続く手順を示すフローチャートである。
【図7】開放電圧とSOCとの相関を示す図である。
【図8】内部抵抗とSOCとの相関を示す図である。
【図9】本発明による充放電制御装置の出力例を示す図
である。
【符号の説明】
1 エンジン 2 モータ 3 インバータ 4 バッテリー 5 セルコントローラ 6 バッテリーコントローラ 7 電圧センサ 8 電流センサ 9 インジケータ K1 充電補正係数 K2 出力補正係数 L1,L11〜L13 回帰直線
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) H02J 7/00 ZHV H02J 7/00 ZHVY Fターム(参考) 5G003 AA07 BA01 CA01 CA11 DA15 EA08 FA06 GB06 5H030 AA03 AA04 AA06 AS08 BB01 BB21 FF42 FF43 FF44 5H115 PA01 PC06 PG04 PI16 PO02 PO10 PO17 PU25 PV09 QN02 SE06 TI05 TI06 TI10

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 組電池の電流値を検出する電流検出部
    と、 前記組電池の総電圧値を検出する総電圧検出部と、 前記組電池を構成する複数の単位電池の各電圧値を検出
    する単位電池電圧検出部と、 前記電流値および総電圧に基づいて前記組電池の電圧・
    電流特性を回帰演算するとともに、前記電流値および前
    記単位電池の電圧値に基づいて各組電池の電圧・電流特
    性を回帰演算する回帰演算部と、 前記組電池に関する前記回帰演算部の演算結果に基づい
    て、前記組電池の入力可能電力および出力可能電力を算
    出する入出力可能電力演算部と、 前記回帰演算部で演算された内部抵抗の最も大きな単位
    電池の電圧・電流特性に基づいて、前記入力可能電力お
    よび/または出力可能電力を補正する補正演算部とを備
    え、前記入出力可能電力演算部および補正演算部の各演
    算結果に基づいて前記組電池の充放電制御を行うことを
    特徴とする充放電制御装置。
  2. 【請求項2】 請求項1に記載の充放電制御装置におい
    て、 前記回帰演算部は、前記単位電池電圧検出部で検出され
    た電圧値のばらつきが所定電圧値以下であって、かつ、
    前記電流値の大きさが所定電流値以下の場合に、前記回
    帰演算を行うことを特徴とする充放電制御装置。
  3. 【請求項3】 請求項1または2に記載の充放電制御装
    置において、 前記内部抵抗の最も大きな単位電池の内部抵抗が所定値
    以上のときに、その単位電池を異常と判定する判定部を
    設けたことを特徴とする充放電制御装置。
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